Sur le spectre électromagnétique, la lumière térahertz se situe entre le rayonnement infrarouge et les micro-ondes. Il recèle un potentiel énorme pour les technologies de demain :entre autres, il pourrait succéder à la 5G en permettant des connexions de communications mobiles et des réseaux sans fil extrêmement rapides. Le goulot d'étranglement dans la transition des fréquences gigahertz aux fréquences térahertz a été causé par des sources et des convertisseurs insuffisamment efficaces. Une équipe de recherche germano-espagnole avec la participation du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a maintenant développé un système matériel pour générer des impulsions térahertz beaucoup plus efficacement qu'auparavant. Il est basé sur le graphène, c'est à dire., une feuille de carbone ultra-mince, revêtu d'une structure lamellaire métallique. Le groupe de recherche a présenté ses résultats dans la revue ACS Nano .

Il y a quelque temps, une équipe d'experts travaillant sur l'accélérateur HZDR ELBE a pu montrer que le graphène peut agir comme un multiplicateur de fréquence :lorsque le carbone bidimensionnel est irradié avec des impulsions lumineuses dans la gamme de fréquences basses térahertz, ceux-ci sont convertis en fréquences plus élevées. Jusqu'à maintenant, le problème est que les signaux d'entrée extrêmement forts, qui à son tour ne pouvait être produit que par un accélérateur de particules à grande échelle, étaient nécessaires pour générer efficacement de telles impulsions térahertz. "Ceci est évidemment peu pratique pour les futures applications techniques, " explique l'auteur principal de l'étude, Jan-Christoph Deinert de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR. " Alors, nous avons cherché un système matériel qui fonctionne aussi avec un apport beaucoup moins violent, c'est à dire., avec des intensités de champ plus faibles."

Dans ce but, scientifiques du HZDR, avec des collègues de l'Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2), l'Institut des sciences photoniques (ICFO), l'Université de Bielefeld, TU Berlin et l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères basé à Mayence, a eu une nouvelle idée :la conversion de fréquence pourrait être considérablement améliorée en recouvrant le graphène de minuscules lamelles d'or, qui possèdent une propriété fascinante :"Ils agissent comme des antennes qui amplifient considérablement le rayonnement térahertz entrant dans le graphène, " explique le coordinateur du projet Klaas-Jan Tielrooij de l'ICN2. nous obtenons des champs très forts où le graphène est exposé entre les lamelles. Cela nous permet de générer des impulsions térahertz très efficacement."

Multiplication de fréquence étonnamment efficace

Pour tester l'idée, les membres de l'équipe d'ICN2 à Barcelone ont produit des échantillons :ils ont appliqué une seule couche de graphène sur un support en verre. En haut, ils ont déposé en phase vapeur une couche isolante ultra-mince d'oxyde d'aluminium, suivi d'un réseau de bandes d'or. Les échantillons ont ensuite été acheminés vers l'installation terahertz de TELBE à Dresde-Rossendorf, où ils ont été frappés par des impulsions lumineuses dans la gamme des faibles térahertz (0,3 à 0,7 THz). Au cours de ce processus, les experts ont utilisé des détecteurs spéciaux pour analyser l'efficacité avec laquelle le graphène recouvert de lamelles d'or peut multiplier la fréquence du rayonnement incident.

« Cela a très bien fonctionné, " Sergey Kovalev est heureux d'annoncer. Il est responsable de l'installation TELBE à HZDR. " Par rapport au graphène non traité, des signaux d'entrée beaucoup plus faibles suffisaient à produire un signal multiplié en fréquence." Exprimé en nombre, un dixième seulement de l'intensité de champ requise à l'origine était suffisant pour observer la multiplication de fréquence. Et à de faibles intensités de champ technologiquement pertinentes, la puissance des impulsions térahertz converties est plus de mille fois plus élevée grâce au nouveau système de matériaux. Plus les lamelles individuelles sont larges et plus les zones de graphène qui restent exposées sont petites, plus le phénomène est prononcé. Initialement, les experts ont réussi à tripler les fréquences entrantes. Plus tard, ils ont atteint des effets encore plus grands - quintuple, septuple, et même des augmentations de neuf fois de la fréquence d'entrée.

Compatible avec la technologie des puces

Cela offre une perspective très intéressante, car jusqu'à maintenant, les scientifiques ont eu besoin de grands, des dispositifs complexes tels que des accélérateurs ou de gros lasers pour générer des ondes térahertz. Grâce au nouveau matériel, il pourrait également être possible de passer du gigahertz au térahertz uniquement avec des signaux d'entrée électriques, c'est à dire., avec beaucoup moins d'efforts. "Notre métamatériau à base de graphène serait tout à fait compatible avec la technologie actuelle des semi-conducteurs, " Deinert souligne. " En principe, il pourrait être intégré dans des puces ordinaires. » Lui et son équipe ont prouvé la faisabilité du nouveau processus. Désormais, la mise en œuvre dans des assemblages spécifiques peut devenir possible.

Les applications potentielles pourraient être vastes :étant donné que les ondes térahertz ont des fréquences plus élevées que les fréquences de communications mobiles gigahertz utilisées aujourd'hui, ils pourraient être utilisés pour transmettre beaucoup plus de données sans fil - la 5G deviendrait la 6G. Mais la gamme térahertz intéresse également d'autres domaines - du contrôle qualité dans l'industrie et les scanners de sécurité dans les aéroports à une grande variété d'applications scientifiques dans la recherche sur les matériaux, par exemple.